四驱越野车转向驱动桥的毕业设计

摘要

随着汽车工业的发展和汽车技术的提高，驱动桥的设计和制造工艺都在日益完善。驱动桥和其他汽车总成一样，除了广泛采用新技术外，在结构设计中日益朝着“零件标准化、部件通用化、产品系列化”的方向发展及生产组织专业化目标前进。应采用能以几种典型的零部件，以不同方案组合的设计方法和生产方式达到驱动桥产品的系列化或变形的目的，或力求做到将某一类型的驱动桥以更多或增减不多的零件，用到不同的性能、不同吨位、不同用途并由单桥驱动到多桥驱动的许多变形汽车上。

本说明书中，根据给定的参数，首先对主减速器进行设计。主要是对主减速器的结构，以及几何尺寸进行了设计。主减速器的形式主要有单级主减速器和双级主减速器。而主减速器的齿轮形式主要有螺旋锥齿轮、双曲面齿轮、圆柱齿轮和蜗轮蜗杆等形式。本次设计采用的是整体式单级主减速器，齿轮形式采用双曲面齿轮。其次，对差速器的形式进行选择，差速器的形式主要分为普通对称式圆锥行星齿轮差速器和防滑差速器两种。本次设计采用普通对称式圆锥行星齿轮差速器。最后，对半轴的结构、支承形式，以及桥壳的形式和特点进行了分析设计。本次设计采用全浮式半轴支承和整体式驱动桥壳。

关键词：驱动桥主减速器差速器半轴驱动桥壳

ABSTRACT

With the development of the automotive industry and vehicle technology to improve the design and manufacturing process of the drive axle are increasingly improved. Drive Axle and other automotive assembly, in addition to the widespread adoption of new technology in the structural design, the direction of development and production organizations increasingly toward "standardization of parts, components universal product series" professional goal. Parts should be used in several typical drive axle product series or deformation of the purpose of portfolio design and production methods, or that we could achieve a certain type of drive axle to more or deletion few parts, used different performance, many of the different tonnage, different purposes by a single bridge driver to multi-bridge-driven deformation of the car.

This manual, according to the given parameters, the first main gear box design. The structure of the main gear box, and the geometric dimensions of the design. The main gear box in the form of single-stage main gear box and two-stage main gear box. Final drive gear mainly in the form of spiral bevel gears, hypoid gears, cylindrical gears, worm and other forms. This design is integral single-stage main gear box, gear forms of hypoid gears. Secondly, in the form of differential selection, differential forms are divided into ordinary symmetric cone planetary gear differential and limited slip differential two. The design uses a common symmetric cone planetary gear differential. Finally, on the structure of the axle, supporting forms, and the axle housing forms and characteristics of the analysis and design. The design uses a full floating axle shaft bearing and the overall drive axle housing.

Keywords:Drive axle Main reducer Differential Axle Drive Axle Housing

1前言

转向驱动桥在四驱越野车中是指具有转向功能的驱动桥。其主要功能一是把分动器传出的功率经其减速后传递给车轮使车轮转动；二是通过转向器把方向盘所受的转矩传递给转向杆从而使车轮转向。

改革开放以来, 随着汽车工业的飞速发展，人民生活水平的提高，高速公路、高等级公路的不断建设，汽车正逐渐进入家庭，成为人们生活的一部分。

同时随着我国加入世界贸易组织，通用、福特、日产、丰田……一批世界一流汽车生产企业纷纷进入中国，市场竞争日趋激烈.入世后，技术竞争将是我国汽车工业面临的最大挑战。

本课题是结合科研进行工程设计。由于四驱越野车的普及，因而对于转向驱动桥是非常需要的。为了让越野车能更好的适应野外的行驶，对于转向驱动桥提出了以下要求：

a.车轮转向要达到45°

b.方向盘向各边能转动2.5圈

c.前轮采用麦弗逊悬架

在王琪老师和李书伟老师的指导下，首先进行了方案论证。经过讨论与研究，对于桥壳部分改变了以前的非断开式，最终确定对于主减速器部分仍采用整体式而两端分别装一球面滚轮式万向节。在转向节部分采用球笼式万向节，转向器采用循环球式转向器。由于转向驱动桥最终要于其它部分组合在一起组成四驱车，所以整个设计过程要考虑最终的组装。我们根据厂方提供的数据首先对驱动桥进行了详细的分析。然后根据分析的结果，计算各部分的轴向力、扭矩、传动比以及功率。进而对各部分进行设计。

转向驱动桥改变了以往的非断开式桥壳，使其更适和在一些非平坦路面上行驶。本课题新颖实用，在技术上有较大改进，具有较强的竞争力。本转向驱动桥将具有很大的市场前景。

2总体方法论证

2.1转向驱动桥分析

已知条件：

外行尺寸(长x宽x高)：3600x1550x1500（mm）

额定功率：76 kw(3800r/min) ; 最大扭距：225N·m(2000r/min)

前轴距：2230mm; 轮距：1300mm ;后轮距：1300mm ; 总质量：1.5t;

载重量：2.1t ;Vmin:5km/h ; Vmax: 140km/h; 最大爬坡度：60%；

2.2 结构方案的确定

2.2.1驱动桥的分析

驱动桥的结构型式按工作特性分，可以归并为两大类，即非断开式驱动桥和断开式驱动桥。

a.非断开式驱动桥

普通非断开式驱动桥，由于结构简单、造价低廉、工作可靠，广泛用在各种汽车上，在多数的越野汽车和部分轿车上也采用这种结构。他们的具体结构、特别是桥壳结构虽然各不相同，但是有一个共同特点，即桥壳是一根支承在左右驱动车轮上的刚性空心梁，齿轮及半轴等传动部件安装在其中。它的一个缺点是簧下质量大点。

b.断开式驱动桥

断开式驱动桥的桥壳是分段的，并且彼此之间可以做相对运动，所以这种桥称为断开式的。另外，它又总是与独立悬挂相匹配，故又称为独立悬挂驱动桥。这种桥的中段，主减速器及差速器等是悬置在车架横粱或车厢底板上，或与脊梁式车架相联。两侧的驱动车轮由于采用独立悬挂则可以彼此致立地相对于车架或车厢作上下摆动，相应地就要求驱动车轮的传动装置及其外壳或套管作相应摆动。

2.2.2转向器的分析

根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。

对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。

2.2.3转向节的分析

万向节按其在扭转方向上是否有明显的弹性，可分为刚性万向节和挠性万向节。

在前者中，动力是靠零件的铰链式联接传递的，而在后者中则靠弹性零件传递，且有缓冲减振作用。刚性万向节又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向

节。

由于弹性件的弹性变形量有限，故挠性万向节一般用于两轴间夹角不大于（3°~5°）和只有微量轴向位移的万向节传动场合。

2.3本车桥的结构

由于该车悬架采用麦弗逊悬架因此驱动桥应采用断开式驱动桥。

对于转向器由于该车是四驱越野车，经常在坏路或无路地带行驶应选用极限可逆转向器。可选用循环球式转向器。当正效率高时驾驶员可以轻便的转动转向盘；当逆效率高时使驾驶员更好的感觉路况，但为了减轻在不平路面上行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手又要求效率尽可能低。因此应在车的转向横拉杆上装一减振器使其吸收路面的冲击消除打手现象。

而对于转向节由于其转向要一定的角度根据角度选择球笼式Birfield型。对于主减速两侧的万向节用球面滚轮式万向节。

3主减速器的设计计算

3.1主减速器传动比的计算

主减速比对主减速器的结构型式、轮廓尺寸、质量大小以及当变速器处于最高档位时汽车的动力性和燃料经济性都有直接影响。i 0的选择应在汽车总体设计时和传动系的总传动比i T 一起由整车动力计算来确定。

对于具有很大功率储备的轿车、长途公共汽车尤其是竞赛车来说，在给定发动机最大功率P emax 及其转速n p ，的情况下，所选择的i 0值应能保证这些汽车有尽可能高的最高车速v amax 。这时i 0值应按下式来确定：

[]17max 0377.0gh a p

r i v n r i = (3-1)

37.28

.0140200035.0377.0=???= 式中r r ——车轮的滚动半径，m ；

i gh ——变速器量高档传动比。

对于其他汽车来说，为了得到足够的功率储备而使最高车速稍有下降，i 0一般选择比上式求得的大10％~25％，即按下式选择：

i 0=[1+（10％~25％）] i 0[]17 (3-2)

=2.16~2.96

3.2主减速器的选择

主减速器的减速型式分为单级减速、双级减速、双速减速、单级贯通、双级贯通、主减速及轮边减速等。

a.单级减速器

由于单级主减速器具有结构简单、质量小、尺寸紧凑及制造成本低廉的优点，广泛用在主减速比i 0<7.6的各种中、小型汽车上。单级主减速器都是采用一对螺旋锥齿轮或双曲面齿轮，也有采用蜗轮传动的。

b.双级主减速器

由于双级主减速器结构复杂、质量加大，制造成本也显著增加，因此仅用于主减速比较大(7.6

c.双速主减速器

为了提高汽车对各种使用条件的适应性，有的重型汽车采用具有两种减速比并可根据行驶条件来选择档位的双速主减速器。它与变速器各档相配合，就可得到两倍于变速器的档位。它比仅仅在变速器中设置超速档，即仅仅改变传动比而不增加档位数，更为有利。但用双速主减速器代替半衰期的超速档，会加大驱动桥的质量，提高制造成本，并要增设较复杂的操纵装置，因此它有时被多档变速器所代替。

d.单级贯通式主减速器

单级贯通式主减速器用于多桥驱动汽车的贯通桥上，其优点是结构简单、主减速器的质量较小、尺寸紧凑，并可使中，后桥的大部分零件，尤其是使桥壳、半轴等主要零件具有互换性。它又分为双曲面齿轮式和蜗轮式两种结构型式。

双曲面齿轮式单级贯通式主减速器，多用于轻型汽车的贯通式驱动桥。当用于大型汽车时刷需增设轮边减速器或加大分动器传动比。

蜗轮传动为布置贯通桥带来极大方便，且其工作平滑无声，在结构质量较小的情况下也可得到大的传动比，适于各种吨位贯通桥的布置和汽车的总体布置。但由于需用青铜等有色金属为材料而未得到推广。

e.双级贯通式主减速器

用于主减速比i0>5的中、重型汽车的贯通桥。它又有锥齿轮—圆柱齿轮式和圆柱齿轮—锥齿轮式两种结构型式。

锥齿轮—圆柱齿轮双级贯通式主减速器的特点是有较大的总主减速比(因两级减速的减速比均大于1)，但结构的高度尺寸大，特别是主动锥齿轮的工艺性差，而从动锥齿轮又需要采用悬臂式安置，支承刚度差，拆装也不方便。

圆柱齿轮—锥齿轮式双级贯通式主减速器的结构紧凑，高度尺寸减小，但其第一级的斜齿圆柱齿轮副的减速比较小。

f.单级(或双级)主减速器附轮边减速器

一些重型汽车、大型公共汽车的驱动桥的主减速比往往要求很大。当其值大于12时，则需采用单级(或双级)主减速器附加轮边减速器的结构型式，将驱动桥的一部分减速比分配给安装在轮毂中间或近旁的轮边减速器。这样以来，不仅使驱动桥中间部分主减速器的轮廓尺寸减小，加大了离地间隙，并可得到大的驱动桥减速比(其值往往在16~26左右)，而且半轴、差速器及主减速器从动齿轮等零件的尺寸也可减小。但轮边减速器在一个桥上就需要两套，使驱动桥的结构复杂、成本提高，因此只有当驱动桥的减速比大于12时，才推荐采用。

根据求得的传动比i0=2.16~2.96选择用单级减速器。

3.3主减速器齿轮的类型

在现代汽车驱动桥上，主减速器采用得最广泛的是螺旋锥齿轮和双曲面齿轮。

螺旋锥齿轮其主、从动齿轮轴线相交于一点。交角可以是任意的，但在绝大多数的汽车驱动桥上，主减速齿轮副都是采用90o交角的布置。由于轮齿端面重叠的影响，至少有两对以上的轮齿同时啮合，因此，螺旋锥齿轮能承受大的负荷。加之其轮齿不是在齿的全长上同时啮合，面是逐渐地由齿的一端连续而平稳地转向另—端，使得其工作平稳，即使在高速运转时，噪声和振动也是很小的。

双曲面齿轮其主、从动齿轮轴线不相交而呈空间交叉。其空间交叉角也都是采用90o。主动齿轮轴相对于从动齿轮轴有向上或向下的偏移。当偏移距大到一定程度时，可使一个齿轮轴从另一个齿轮轴旁通过。这样就能在每个齿轮的两边布置尺寸紧凑的支承。这对于增强支承刚度、保证轮齿正确啮合从而提高齿轮寿命大有好处。随

偏移距的不同，双曲面齿轮与接触应力相当的螺旋锥齿轮比较，负荷可提高至175％。双曲面主动齿轮的螺旋角较大，则不产生根切的最少齿数可减少，所以可选用较少的齿数，这有利于大传动比传动。当要求传动比大而轮廓尺寸又有限时，采用双曲面齿轮更为合理。因为如果保持两种传动的主动齿轮直径一样，则双曲面从动齿轮的直径比螺旋锥齿轮的要小，这对于主减速比i 0≥4.5的传动有其优越性。当传动比小于2时，双曲面主动齿轮相对于螺旋锥齿轮主动齿轮就显得过大，这时选用螺旋锥齿轮更合理，因为后者具有较大的差速器可利用空间。

由于双曲面主动齿轮螺旋角的增大，还导致其进入啮合的平均齿数要比螺旋锥齿轮相应的齿数多，因而双曲面齿轮传动比螺旋锥齿轮传动工作得更加平稳、无噪声，强度也高。双曲面齿轮的偏移距还给汽车的总布置带来方便。

由于i 0=2.16~2.96选择用双曲面主动齿轮。

3.4主减速齿轮计算载荷的确定

将发动机最大转矩配以传动系最低档传动比时和驱动车轮打滑时这两种情况下作用于主减速器从动齿轮上的转矩(T je 、T jh )的较小者，作为越野汽车在强度计算中用以验算主减速器从动齿轮最大应力的计算载荷。即

[]170max /n K i T T T TL e je η= (3-3) 26.17382

96.28.59.01225=????=N ·m []172

LB

LB r jh i r G T ???=η? (3-4) 26.164296

.29.035.0112500=???= N ·m 式中T emax ——发动机量大转矩，N ·m ；

i TL ——由发动机到所计算的主减速器从动齿轮之间的传动系最低档传动比； T η——传动部分的效率，取T η=0.9；

K 0——超载系数，取K 0=1；

n ——驱动桥数目；

G 2——汽车满载时一个驱动桥给水平地面的最大负荷，N ；

?——轮胎对路面的附着系数，越野汽车取?=1.0；

r r —一车轮的滚动半径，m ；

LB η，LB i 一一分别为由所计算的主减速器从动齿轮到驱动轮之间的传动效率和减速比。

上面求得的计算载荷，是最大转矩而不是正常持续转矩，不能用它作为疲劳损坏的依据。对于公路车辆来说，使用条件较非公路车辆稳定，其正常持续转矩是根据所谓平均比牵引力的值来确定的，即主减速器从动齿轮的平均计算转矩T jm (N ·m)

为

[]17)()(P H R LB LB r T a jm f f f n i r G G T ++???+=

η (3-5) ()79.372027.02.02

9.096.235.025000=+????=N ·m 式中G a ——汽车满载总重，N ；

G T ——所牵引的挂车满载总重，N ，仅用于牵引车；

f R ——道路滚动阻力系数，越野汽车取0.020~0.035；

f H ——汽车正常使用时的平均爬坡能力系数。越野汽车取0.09~0.30。

f P ——汽车或汽车列车的性能系数：

]/)(195.016[01.0max e T a P T G G f +?-?=[]17<0 (3-6) 式中f P 计算为负时，取0值。

当计算主减速器主动齿轮时，应将式（3-3）~（3-4）各式分别除以该齿轮的减速比及传动效率。

3.5主减速器齿轮基本参数的选择

3.5.1齿数的选择 表3-1 汽车驱动桥主减速器主动锥齿轮齿数（用于半展成法*加工时）

传动比(z 2/ z 1) 推荐的主动齿轮最小齿数(z 1)

主动齿轮齿数允许范围（z 12z +） 2.0

17 15~19 2.5

15 12~16 3.0

11 10~14 3.5

107~9 8~10 4.0

9 4.5

8 6~9 5.0 7

5~8 表3-2 汽车主减速器主、从动锥齿数的选择 1

2z z 1z

8 9 10 11 12 13 14 15 16 2.880

2.919

41 44 47 2.920

2.959

35 38 2.960

2.999

42 45 48

续表

1

2z z 1z

8 9 10 11 12 13 14 15 16 3.000

3.039

36 39 49 3.040

3.079

33 43 46 3.080

3.119

40 照表3-1由于i0=2.16~2.96所以取主动齿轮齿数为11。再根据表3-2查得与齿数11相配和的齿数为35。

3.5.2节圆直径的选择

由于弯曲应力和作用在齿轮上的圆周力P 与齿面宽F 的比值P/F 成正比关系，而且当变速器处于Ⅰ挡位置时，圆周力P 与齿面宽F 的比值P/F 。

[]cm N F d i i T g e /107802

10017201max ≤ (3-7) []1078021001722≤F d r G r ?cm N / (3-8)

式中：d 2及F 的单位均cm 。

当Ⅰ挡的传动比i g1<3时，还必须具备另一条件，亦即在直接挡传递发动机的最大转矩T emax 时比值P/F 应不超过3920cm N /，即

[]cm N F d i T e /392021001720max ≤ (3-9)

对于双曲面齿轮来说，选取F ＝0.155d 2,将此关系及85.0=?代入以上有关公式并整理后得到：

当Ⅰ挡传递T emax 时，节圆直径d 2应大于或等于以下两式算得数值中的较小值，即 []1701max 2346.0i i T d g e ≥ (3-10) 35.1796.28.5225346.0=???=cm []172285.0346.0r r G d ≥ (3-11) 81.141000035.085.0346.0=???=cm 取两者中的较大值。